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2021-04-14
王兰
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对于大多数IC（），数据手册上都会列出最大电源电流，但人们常常对其测量条件视而不见。对于某些轨到轨输出运算放大器，某些操作可能会导致电源电流比规定的最大值高出2到10倍。本文探讨在确定是否应当关注最大电源电流时，需要考虑哪些方面；本文的讨论对双极性和CMOS运算放大器均适用。
几乎所有IC的数据手册都会提供保证最大电源电流值，但该值并不总是能够用来计算最差情况的功耗。众所周知，CMOS数字器件的电源电流随着时钟频率的提高而提高，但模拟器件，特别是运算放大器会如何呢？可以使用电源电流加上供应给负载的电流作为最大值吗？（提示：并不尽然。..。.）
运算放大器以闭环形式工作，而比较器则以开环形式工作。虽然这一原则十分简单并且显而易见，但我们很少思考违反原则会带来什么后果。出现相对较多的问题是将运算放大器用作比较器，因为许多运算放大器的失调和噪声均非常低，常常会诱使我们将其用作精密比较器。
当运算放大器采用±15V电源供电，并且输入信号在±10V范围内时，将其用作比较器有时是可行的，特别是如果增加一些正迟滞来避免振荡并加快不确定区域的过渡。但随着轨到轨输出运算放大器的出现，问题开始变得严重。参考文献1对输入和输出级做了很好的阐释。
历史回顾
在数字世界，NAND门、NOR门和其它数字功能的MIL/ANSI符号截然不同。但在模拟世界，不知是何原因，运算放大器和比较器均显示为一个带两路输入和一路输出的三角形，“这种表示方法影响深远”（参考文献2）。运算放大器用作比较器已有很长时间，关于比较器和用作比较器的运算放大器，已有许多论文做过探讨：
* 早在1967年，当推出LM101A时，其数据手册显示的应用威廉希尔官方网站
中就是用作比较器。
* MT-083（参考文献3）对比较器进行了比较全面的综述，包括放大器的性能指标和为何需要迟滞，但并未讨论将运算放大器用作比较器的情况。
* Sylvan（参考文献4）讨论了运算放大器用作比较器时的一般考虑因素，但并未特别讨论轨到轨输出运算放大器。他确实提醒过大家应当注意输入相对于共模输入电压的差异，并涉及到差模电压的差别。
* Bryant（参考文献5）开宗明义：“然而，关于将运算放大器用作比较器的最佳建议非常简单--不要这样做！”，然后说明了多个需要考虑的问题，最后总结道：在某些应用中，这可能是一个正确的设计决策。Kester（参考文献6）同样反对将运算放大器用作比较器，但也勉强承认，有些情况下这可能行得通。
* Moghimi（参考文献7）讨论了运算放大器与比较器的区别，警告说“魔鬼就藏在细节中”，并且非常清楚地解释了输入保护二极管、反相和运放的多个其它特性，但他认为，小心处理这些细节还是可以有效解决的。他确实简要提及了轨到轨输出运算放大器，但未谈到电源电流。
随着电源电压减小，用来保持较大电压摆幅的方法之一是将传统输出级变为“轨到轨”输出级。图1所示为一个传统输出级，可以称之为非轨到轨输出级，其输出只能达到正电源的1V范围内。
图1：传统双极性输出级
为了更接近供电轨，输出级晶体管变为共发射极配置，如图2所示。
图2：双极性轨到轨输出
“轨到轨”输出并非真正的“轨到轨”，但是可以达到电源电压的50-100 mV范围内，具体取决于输出晶体管的大小和负载电流。
比较这两个输出级，有三点值得特别注意：
* 第一，传统输出级具有电流增益、小于1的电压增益和非常低的输出阻抗。
* 第二，轨到轨输出级是共发射极输出级，因而具有电压增益，约为gm×RL。RL由外部负载和晶体管的输出阻抗（RO）组成。当输出与供电轨相差数百毫伏以上时，RO非常大，通常可以忽略不计，但如果输出接近供电轨，则不能忽略。
* 第三，可以将输出看作传统的双晶体管比例式电流镜，这是问题的症结所在。
在正常工作中，中间级会拉低基极-集电极节点，将更多电流驱动到负载，从而提高电压。在负反馈下，随着输出电压升高，输入级和中间级将降低驱动电流，直到闭环平衡。
当用作比较器时，中间级会拉低基极-集电极节点，试图封闭环路，但由于没有反馈，它将越拉越厉害。这一额外电流找到一条路径从正电源引脚流到负电源引脚，以额外电源电流的形式出现。驱动输出级的方法有多种，而且空穴和电子的迁移率存在差异，因此电源电流的提高通常不对称。
动手试验
为了量化这一效应，笔者从ADI公司及三家主要模拟器件竞争厂商各获得了一个双极性运算放大器和一个CMOS运算放大器。为了进行比较，试验中还包括历史悠久的双通道运算放大器LM358（非轨到轨输出）和双通道比较器LM393。使用三个威廉希尔官方网站
，测量与电源电压呈函数关系的电源电流。
图3是用于测量电源电流的经典方法。电流表按图示进行连接，以便剔除阻性分压器的电源电流。
图3：测量电源电流
使用两块电流表，以便确认电源电流是准确的，并且不包括通过输入引脚的任何无关电流路径。电阻值无关紧要，所选值只需确保运算放大器的输入在数据手册技术规格表规定的输入电压范围（IVR）内。
为了测量开环下的电源电流，例如作为比较器工作时，使用图4和图5所示威廉希尔官方网站
。某些低噪声双极性运放的输入端之间具有二极管，用以保护差分输入对，因此“绝对最大额定值”表中规定的最大差分电压通常是±0.7 V。如果有内部串联电阻，其值通常在500 ？到2 k？范围内。
“绝对最大额定值”表可能将最大差分电压规定为正负电源电压，但这并不意味着器件能够在这种条件下工作。应当参考器件的简化内部原理图，如果没有提供，可以询问制造商。
在这两种配置中，电阻值的选择比前一种情况略显重要。电阻值应足够低，使得差分输入电压至少为0.5V，以保证输出被尽力驱动到供电轨，同时应足够高，不至于损坏内部二极管。所选值应将输入电流限制在1mA以下。
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